一种基于光电振荡器的微位移测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于光电振荡器的微位移测量装置及方法，包括：测量模块用于获取环路数据，振荡模块用于获取振荡频率数据；获取第一环路振荡频率数据和光延时线的固定移动距离数据；基于所述固定移动距离数据获取光延时线移动后的第二环路振荡频率数据；对所述固定移动距离数据、第一环路振荡频率数据和第二环路振荡频率数据进行计算分析，得到环路腔长数据；获取目标移动后的第三环路振荡频率数据，对所述环路腔长数据和第三环路振荡频率数据进行分析计算，得到目标移动前后环路腔长的变化数据，对变化数据进行分析计算，得到目标位移数据。本发明专利技术通过将被测位移作为光电谐振腔环路的一部分，利用光电振荡器的特性，提高了测量精度和灵敏度。了测量精度和灵敏度。了测量精度和灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光电振荡器的微位移测量装置及方法


[0001]本专利技术属于传感器领域，特别是涉及一种基于光电振荡器的微位移测量装置及方法。

技术介绍

[0002]长度量是最基本的物理量之一，随着人类认识、探索世界过程的不断深入，长度量的测量与计量在纳米测量、超精密加工、材料科学、航空航天、生物学、微电子行业等领域中具有广泛应用。建立纳米计量标准是当代计量领域在发展纳米测量技术上最重要、最基础的课题。纳米测量技术可实现百nm至0.1nm分辨率下的物体尺寸测量，是解决许多高精度、高分辨率问题的重要支撑，是研究纳米科技领域的重要基础。
[0003]纳米测量的方法目前可以分为两大类：非光学方法和光学方法。其中非光学方法包括：扫描探针显微镜法，电感测微法和电容测微法等。这些方法具有显著的优点，如高分辨率、高精度、低功耗和对温度依赖性弱。然而，非光学方法的微位移测量范围只有几十纳米到微米量级。
[0004]相比之下，光学方法实现微位移测量具有精度高、分辨力高、体积小、抗干扰性强、成本低、工作环境要求低、使用方便等优点，因此具备更大的应用潜力。目前光学类方法主要有迈克尔逊干涉仪，光栅干涉仪和法布里珀罗Fabry
‑
Perot,F
‑
P干涉仪。其中迈克尔逊干涉仪和光栅干涉仪本质上都属于干涉仪结构，都具有独立的参考臂和测量臂，测量值实际上是参考光路和测量光路的差，要达到nm或亚nm的测量精度，就必须保证参考光程稳定在nm或亚nm级别。
[0005]尽管F
‑
P干涉仪不存在分离的参考臂和测量臂，将参考光路完全置于系统测量内部，消除了参考臂的不稳定性对测量精度的影响。但是，F
‑
P腔体之间的多次反射将对测量结果带来非线性误差。
[0006]光学方法中基于光电振荡器Optoelectronicoscillator,OEO的微位移测量系统近年来受到了国内外学者们的极大关注。OEO因其高频谱纯度、低相位噪声以及腔长和频率之间的对应关系为微位移测量提供了新的方向。将待测距离作为OEO腔长的一部分，目标的位移信息将会转化成OEO振荡频率的变化，最终利用OEO的积累放大特性实现高精度的微位移测量。但是，目前基于OEO的微位移测量系统仍然存在独立的参考臂和测量臂，同样地会给测量结果带来误差。
[0007]以上微位移传感器都存在着测量精度低，装置复杂，步骤繁琐，对测量环境要求高等问题中的一项或多项，不能适用于在所有场景中对物体微位移的快速测量。
[0008]为了满足当下微位移传感器高精度、非接触、高频率和广泛的适应性的重要发展方向，发展高精度的非接触测量方法是解决测量领域许多现存问题的必然途径。基于上述缺陷和不足，本领域亟需对现有的微位移测量装置做出进一步的改进设计。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是提供一种基于光电振荡器的微位移测量装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题。
[0010]一方面为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于光电振荡器的微位移测量装置，包括：
[0011]测量模块和振荡模块；
[0012]其中，所述测量模块用于获取环路数据，包括：第一激光器、第二激光器、磁光开关、马赫－曾德尔电光调制器、环形器和光滤波器；
[0013]所述振荡模块用于获取振荡频率数据，包括：光延时线、光电探测器、电放大器、电带通滤波器、功分器和频率计。
[0014]可选的，在所述测量模块中，所述第一激光器的输出端与所述磁光开关的第一输入端连接，所述第二激光器的输出端与所述磁光开关的第二输入端连接，所述磁光开关的输出端与所述马赫－曾德尔电光调制器的第一输入端连接，所述马赫－曾德尔电光调制器的输出端与所述环形器的第一端口连接，所述环形器的第二端口与所述光滤波器的输入端连接。
[0015]可选的，所述第一激光器用于输出参考环路光，所述第二激光器用于输出测量环路光，其中所述参考环路光与所述测量环路光的波长不同；
[0016]所述磁光开关用于控制参考环路光和测量环路光的载波时间；
[0017]所述光滤波器用于测量被测物体并获取环路数据；
[0018]所述环形器用于将环路数据输入到振荡模块。
[0019]可选的，在所述振荡模块中，所述光延时线的输入端与环形器的第三端口连接，所述光延时线的输出端与光电探测器的输入端连接；所述光电探测器的输出端与所述电放大器的输入端连接；所述电放大器的输出端与所述电带通滤波器的输入端连接；所述电带通滤波器的输出端与所述功分器的输入端连接；所述功分器的第一输出端与马赫－曾德尔电光调制器的第二输入端连接；所述功分器的第二输出端与频率计的输入端连接。
[0020]可选的，所述光电探测器用于光电转换；
[0021]所述电放大器用于放大电信号功率；
[0022]所述电带通滤波器用于选择振荡频率；
[0023]所述功分器与马赫－曾德尔电光调制器进行连接用于构成闭环光电环路；所述频率计用于收集环路振荡频率。
[0024]另一方面为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于光电振荡器的微位移测量方法，包括：
[0025]获取第一环路振荡频率数据和光延时线的固定移动距离数据；基于所述固定移动距离数据获取光延时线移动后的第二环路振荡频率数据；
[0026]对所述固定移动距离数据、第一环路振荡频率数据和第二环路振荡频率数据进行计算分析，得到环路腔长数据；
[0027]获取目标移动后的第三环路振荡频率数据，对所述环路腔长数据、第一环路振荡频率数据和第三环路振荡频率数据进行分析计算，得到目标移动前后环路腔长的变化数据，对变化数据进行分析计算，得到目标位移数据。
[0028]可选的，获取环路腔长数据的过程包括：
[0029]获取腔长的变化数据ΔL0：
[0030]其中，L为OEO谐振腔的总长度，f
osc
为OEO腔长变化后的振荡频率；
[0031]环路腔长数据包括参考环路数据L
参
和测量环路数据L
测
，其中
[0032]获取参考环路数据L
参
的过程为：
[0033][0034]获取测量环路数据L
测
的过程为：
[0035][0036]其中，f1为参考环路的振荡频率，f2为测量环路的振荡频率；f1′
为光延时线移动后参考环路的振荡频率，f2′
为光延时线移动后测量环路的振荡频率。
[0037]可选的，获取目标位移数据的过程包括：
[0038]获取目标移动后环路腔长的变化数据，其中变化数据包括：参考环路的腔长变化数据ΔL
参
和测量环路的腔长变化数据ΔL
测
；
[0039]其中，获取参考环路的腔长变化数据ΔL
参
的过程为：
[0040][0041]获取测量环路的腔长变化数据ΔL
测
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光电振荡器的微位移测量装置，其特征在于，包括：测量模块和振荡模块；其中，所述测量模块用于获取环路数据，包括：第一激光器、第二激光器、磁光开关、马赫－曾德尔电光调制器、环形器和光滤波器；所述振荡模块用于获取振荡频率数据，包括：光延时线、光电探测器、电放大器、电带通滤波器、功分器和频率计。2.根据权利要求1所述的一种基于光电振荡器的微位移测量装置，其特征在于，在所述测量模块中，所述第一激光器的输出端与所述磁光开关的第一输入端连接，所述第二激光器的输出端与所述磁光开关的第二输入端连接，所述磁光开关的输出端与所述马赫－曾德尔电光调制器的第一输入端连接，所述马赫－曾德尔电光调制器的输出端与所述环形器的第一端口连接，所述环形器的第二端口与所述光滤波器的输入端连接。3.根据权利要求2所述的一种基于光电振荡器的微位移测量装置，其特征在于，所述第一激光器用于输出参考环路光，所述第二激光器用于输出测量环路光，其中所述参考环路光与所述测量环路光的波长不同；所述磁光开关用于控制参考环路光和测量环路光的载波时间；所述光滤波器用于测量被测物体并获取环路数据；所述环形器用于将环路数据输入到振荡模块。4.根据权利要求1所述的一种基于光电振荡器的微位移测量装置，其特征在于，在所述振荡模块中，所述光延时线的输入端与环形器的第三端口连接，所述光延时线的输出端与光电探测器的输入端连接；所述光电探测器的输出端与所述电放大器的输入端连接；所述电放大器的输出端与所述电带通滤波器的输入端连接；所述电带通滤波器的输出端与所述功分器的输入端连接；所述功分器的第一输出端与马赫－曾德尔电光调制器的第二输入端连接；所述功分器的第二输出端与频率计的输入端连接。5.根据权利要求4所述的一种基于光电振荡器的微位移测量装置，其特征在于，所述光电探测器用于光电转换；所述电放大器用于放大电信号功率；所述电带通滤波器用于选择振荡频率；所述功分器与马赫－曾德尔电光调制器进行连接用于构成闭环光电环路；所述频率计用...

【专利技术属性】
技术研发人员：于晋龙，罗浩，王菊，马闯，韩旭，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：